XM18球面铣磨机的有限元分析及结构优化
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摘要
随着现代机床向高速度、高精度方向发展，必然要求机床应该具有越来越高的动、静态特性。因此，机床结构动、静态特性的研究已经成为当今机床行业的重要环节之一。
本课题以XM18球面铣磨机为研究对象，为了提高其动态特性，本文主要从以下几个方面进行研究：
首先，根据弹性力学理论和有限元分析的基本理论，利用ANSYS9.0软件建立了铣磨机的主要零部件床身、燕尾、燕尾座、主轴箱、扇形板和磨头座的有限元模型，利用有限元法对主要零部件进行了自由模态和约束模态分析，并根据分析结果对关键部件提出了改进方案。
其次，在确定机床结合部的等效动力学参数后，利用ANSYS软件中的线性弹簧-阻尼单元建立了组合结构的有限元模型，并对其在不同工况下进行自由模态、约束模态和静力学分析。
再次，对整机进行了模态试验，对测得的数据进行模态参数识别。然后将有限元理论计算的结果和模态试验的结果进行了对比分析，结果表明了有限元模型的正确性。
最后，根据灵敏度分析技术和结构优化设计方法，应用Pro／MECHANICA STRUCTURE对铣磨机的关键部件床身和主轴箱的结构尺寸进行灵敏度分析和优化设计，并根据优化结果对改进后的组合结构在不同工况下进行自由模态、约束模态和静力学验证。结果表明不仅提高了整机的强度和刚度，而且有效地避免了共振。
With the development of high-speed precision modern machine tools, it needs to have good dynamic and static behaviors. Therefore, the research on the dynamic and static behavior of machine-building industry has been one of the important steps.
In this paper, the research object is the XM18 spherical generator, in order to improve the dynamic behavior of the machine tool, the following aspects have been studied in this thesis:
Firstly, based on the elasticity theory and finite element analysis theory, the finite element models of the lathe bed, dovetail, dovetail shelf, headstock, fanlike plank and millhead shelf, which were the main parts of the spherical generator, were built up using ANSYS9.0. And based on the modal analysis theory and FEM technology, the free modal and the constrained modal analysis of the main parts were studied. Accordance to the analytical results, put forword methods to optimize the key parts.
Secondly, the equivalent dynamic characteristics parameters of bolt joints were researched, and the finite element model of the combined frame was built up using the linear spring-damper elements. Then the free modal, the constrained modal and the static analysis were studied in different working situations.
Thirdly, the modal parameters of the spherical generator were identified according to the results of the modal test. These were compared with the results of the finite element modal analysis, and the correctness of the finite element model of the combined frame was confirmed.
Lastly, based on the sensitivity analysis technology and structure optimization design method, sensitivity analysis and optimization design of the lathe bed and headstock, which were the key parts of the spherical generator, were studied using Pro/MECHANICA STRUCTURE. Based on the Optimum result, the free modal, the constrained modal and the static verify of the modified combined frame were studied in different working situations. The analysis results not only improve the intensity and stiffness, but also effectivly avoided resonates.
本课题以XM18球面铣磨机为研究对象，为了提高其动态特性，本文主要从以下几个方面进行研究：
首先，根据弹性力学理论和有限元分析的基本理论，利用ANSYS9.0软件建立了铣磨机的主要零部件床身、燕尾、燕尾座、主轴箱、扇形板和磨头座的有限元模型，利用有限元法对主要零部件进行了自由模态和约束模态分析，并根据分析结果对关键部件提出了改进方案。
其次，在确定机床结合部的等效动力学参数后，利用ANSYS软件中的线性弹簧-阻尼单元建立了组合结构的有限元模型，并对其在不同工况下进行自由模态、约束模态和静力学分析。
再次，对整机进行了模态试验，对测得的数据进行模态参数识别。然后将有限元理论计算的结果和模态试验的结果进行了对比分析，结果表明了有限元模型的正确性。
最后，根据灵敏度分析技术和结构优化设计方法，应用Pro／MECHANICA STRUCTURE对铣磨机的关键部件床身和主轴箱的结构尺寸进行灵敏度分析和优化设计，并根据优化结果对改进后的组合结构在不同工况下进行自由模态、约束模态和静力学验证。结果表明不仅提高了整机的强度和刚度，而且有效地避免了共振。
With the development of high-speed precision modern machine tools, it needs to have good dynamic and static behaviors. Therefore, the research on the dynamic and static behavior of machine-building industry has been one of the important steps.
In this paper, the research object is the XM18 spherical generator, in order to improve the dynamic behavior of the machine tool, the following aspects have been studied in this thesis:
Firstly, based on the elasticity theory and finite element analysis theory, the finite element models of the lathe bed, dovetail, dovetail shelf, headstock, fanlike plank and millhead shelf, which were the main parts of the spherical generator, were built up using ANSYS9.0. And based on the modal analysis theory and FEM technology, the free modal and the constrained modal analysis of the main parts were studied. Accordance to the analytical results, put forword methods to optimize the key parts.
Secondly, the equivalent dynamic characteristics parameters of bolt joints were researched, and the finite element model of the combined frame was built up using the linear spring-damper elements. Then the free modal, the constrained modal and the static analysis were studied in different working situations.
Thirdly, the modal parameters of the spherical generator were identified according to the results of the modal test. These were compared with the results of the finite element modal analysis, and the correctness of the finite element model of the combined frame was confirmed.
Lastly, based on the sensitivity analysis technology and structure optimization design method, sensitivity analysis and optimization design of the lathe bed and headstock, which were the key parts of the spherical generator, were studied using Pro/MECHANICA STRUCTURE. Based on the Optimum result, the free modal, the constrained modal and the static verify of the modified combined frame were studied in different working situations. The analysis results not only improve the intensity and stiffness, but also effectivly avoided resonates.
引文
[1] 刘锡锋，董黎敏．机械CAD-Pro／E应用及开发．北京：机械工业出版社，2002．5
[2] B. W. Deytshel, R.B.Kantnik. Improveing Vehicle Response to Engineer and Road Excitation Using Interactive Graphics and Modal Reanalysis Methods.SAE900817,1990, p1126～1132
[3] 廖伯瑜，周新民，尹志宏．现代机械动力学及其工程应用．北京：机械工业出版社，2003，8
[4] 胡爱玲．高速电主轴动静态特性的有限元分析．[硕士论文]．广东：广东工业大学，2004
[5] 曹天宁，周鹏飞．光学零件制造工艺学．北京：机械工业出版社，1981，1
[6] 杨肃，唐恒龄，廖伯瑜．机床动力学Ⅰ．北京：机械工业出版社，1983
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[9] 傅志方，华宏星．模态分析理论与应用．上海：上海交通大学出版社，2000．7
[10] 贺兵．超高速磨床的构造特征及动态特性研究与结构优化．[硕士论文]．长沙：湖南大学，2004
[11] 程耀东．机械振动学．杭州：浙江大学出版社，1988
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[14] 龚曙光．ANSYS基础应用及范例解析．北京：机械工业出版社，2003．1
[15] 宋勇，艾宴清，梁波．ANSYS7.0有限元分析．北京：清华大学出版社，2004．3
[16] 陈国聪．机械CAD／CAE应用技术基础．北京：机械工业出版社，2002．7
[17] 刘国庆，杨庆东．ANSYS工程应用教程．北京：中国铁道出版社，2003
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[20] 韩会斌．机床结合面阻尼系数识别与研究．[北京工业大学硕士论文]．北京：北京工业大学，2001
[21] 王世军，张广鹏，黄玉美．机床导轨结合部动态特性的有限元分析方法．设计与研究，2002 (12)：50～52
[22] 濮良贵，纪名刚．机械设计．北京：高等教育出版社，1999，65～66
[23] 伊东宜．现代机床基础技术．北京：机械工业出版社，1987
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[25] 陈健．6102车用柴油机机体刚度和动态特性研究．[天津大学硕士论文]．天津：天津大学，2003
[26] 张波，陈天宁，虎恩典，陈花玲．某型数控车床床身结合面有限元建模及参数优化识别．宁夏工程技术，2003(11)：321～323
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[28] 杨叔子．机械加工工艺师手册．北京：机械工业出版社，2001．8
[29] 汪恺．机械制造基础标准应用手册．北京：机械工业出版社，1997．8
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[31] N. Okubo, Y. Yoshida, Application of modal analysis to Machine Tool Sturcture. CIRP, 1993, V25
[32] 梁志强．加工中心电主轴系统试验模态分析及主要结合部参数识别方法研究．[昆明理工大学硕士论文]．昆明：昆明理工大学，2004
[33] 陈伟．哈利伯顿1400型压裂泵动力端仿真研究．[西南石油学院硕士论文]．成都：西南石油学院，2004
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